Устройство для моделирования действия взрыва на выброс Советский патент 1992 года по МПК E21C37/00 

Изобретение относится к исследованию действия взрыва, Результаты моделирования могут быть использованы в горно-добывающей промышленности при разработке рудных месторождений полезных ископаемых подземным способом с целью снижения потерь рудной массы.

Известная установка для моделирования действия взрыва ВВ, основанная на эффекте разрушения проводников под действием электрического тока, состоит из блока питания, батареи конденсаторов, коммутирующего устройства, рабочих органов, блока защиты, корпуса и блока управления. К достоинствам описанной установки следует отнести возможность изменять в широких пределах энергетические параметры. Но применение больших по величине токов требует обязательного применения блока защиты, состоящего из ручной и электромагнитной блокировок с разрядными сопротивлениями и пробивных предохранителей. Кроме этого, выделяющиеся газообразные продукты взрыва создают помехи при кинорегистрации процесса. Главным недостатком установки является появление значительных трудностей при увеличении числа имитирующих зарядов.

Известно также устройство для моделирования действия взрыва на выброс, основным элементом которого является вакуумная камера большого объема. Камера выполнена цилиндрической формы, имеет входной люк, смотровое окно для киносъемки процесса выброса и четыре иллюминатора До середины смотрового окна камера

СО

о

Ьь

о

заполнена кварцевым песком. Внутри массива песка помещается рабочий объем воздуха (моделирующий сжатые газообразные продукты взрыва), заключенный в резиновую оболочку сферической формы. Величина разрежения в вакуумной камере устанавливается на любом уровне ниже атмосферного давления при помощи вакуумного насоса. Минимальная величина вакуума в камере достигает 0,5 мм рт.ст. Резиновая оболочка, заключающая рабочий объем воздуха, разрушается от контакта с нихромо- вой проволокой, нагреваемой электрическим током. Процесс выброса регистрируется кинокамерой АКС-2. Промышленные взрывы подтвердили высокую сходимость результатов моделирования в вакуумной камере с результатами натурных взрывов ВВ на выброс. Конструктивные особенности установки практически исключают воздействие на человека опасных производственных факторов. Кинорегистрация моделируемого процесса делает возможным более детальное изучение явлений.

Однако при моделировании в вакуумной камере затруднено воспроизведение необходимых временных режимов инициирования зарядов, так как при разрыве первого пузырька с воздухом происходит некоторая разгерметизация установки и, следовательно, изменяются энергетические параметры последующих зарядов. Общими недостатками, присущими и установке со взрывающимися проволочками, и вакуумной камере, являются высокая стоимость конструкции, большая трудоемкость подготовки и проведения эксперимента и, следовательно, низкая производительность исследований.

Ближайшим к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является стенд, имитирующий действие взрыва на выброс, состоящий из металлического кожуха, механического источника нагружения и основания. Кожух представляет собой конструкцию, которая воспроизводит в масштабе 1:100 очистную камеру. Одна стенка кожуха для обеспечения кинорегистрации процесса выполнена из стекла. Под кожухом установлены симметричные наклонные площадки, имитирующие поверхности, с которых продукты детонации воздействуют на слой, и центральное выпускное отверстие. В качестве источника нагружения применены копровые маятники. Кинематическое и динамическое подобие достигалось подбором жесткости и величины свободного хода площадок, массы маятника, его скорости в момент соударения с площадкой, формы

ударника. Несомненным преимуществом модели является простота в обращении, небольшие затраты времени на операции подготовительного цикла, возможность

кинорегистрации.

Однако на модели невозможно имитировать взрыв нужного числа зарядов, варьировать их рассредоточением в пределах почвы камеры, воспроизводить необходи0 мые интервалы замедления.

Цель изобретения - обеспечение возможности имитации направленных взрывов системой сосредоточенных зарядов, инициируемых короткозамедленно за счет воз5 можности изменять число зарядов и интервалы замедления.

Для достижения поставленной цели предлагается использовать устройство, в котором функцию имитатора взрывного на0 гружения выполняет электромеханическая система, включающая пружины как источник энергии, электрозамки для удержания пружин в сжатом положении, металлические толкатели, передающие энергию воз5 мущаемой среде, и резиновые мембраны для предотвращения просыпания мелких частиц породы и возвращения толкателей в исходное положение.

На фиг. 1 изображено предлагаемое ус0 тройство, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - электромеханическая часть устройства; на фиг. 4 - зависимость показателя выброса от энергетического параметра.

5 Устройство для моделирования действия взрыва на выброс (фиг. 1) представляет собой конструкцию, состоящую из рамы, основания и электромеханической системы, имитирующей действие взрыва. Рама - это

0 металлическая двутавровая балка 1, воспроизводящая в масштабе 1:50 почву очистной камеры с прикрепленными боковыми стенками. Причем задняя стенка непрозрачна, а передняя выполнена из стекла. На задней

5 стенке 2 нанесена масштабная сетка для удобства кинорегистрации процесса. С одной стороны к раме прикреплена выпускная дучка 3. Конструкция предусматривает постоянную вертикальную ориентацию оси

0 дучки. На другой стороне размещена электромеханическая система. На плоскость рамы от системы до дучки накладывается пять пластин 4 из пластика размером по 100 мм и одна 70 мм, которые крепятся винтами. На

5 пластины наклеены куски породы разной величины, имитирующие в масштабе неровности лежачего бока камеры. Расстояние от первого ряда системы зарядов до выпускной дучки изменяется снятием и установкой пластин. Электрическая часть стенда состоит из электрозамков 5, которые удерживают пружины 6 в сжатом состоянии, и источника 7 питания, обеспечивающего подачу к электрозамкам напряжения 27 В. Пружины, находящиеся на металлических стержнях 8, прикрепленных к раме, передают энергию пластине 9, которая (фиг, 1; 2) свободно перемещается на втулках 10 по стержню. На пластине закреплены металлические толкатели 11 (по три в каждом из трех рядов), которые передают энергию пружин моделируемой среде. Число толкателей и размеры между ними могут изменяться. Между навалом и толкателем перемещается резиновая мембрана 12, прикрепленная к раме. Она служит для возвращения толкателей в исходное положение, устраняя их дальнейшее воздействие на среду, и для ликвидации возможных просыпаний мелких частиц, а также для наиболее точного воспроизведения в соответствующем масштабе развития купола и разлета породы в натуре. Узлы крепления модели к основанию 13 выполнены таким образом, что угол наклона рамы к горизонту может изменяться от 0 до 70°.

Для установления адекватности механического и взрывного воздействий в качестве базы сравнения использованы результаты исследований процесса образования воронки выброса в вакуумной камере, проведенные сотрудниками Института физики Земли АН СССР. Высокую сходимость результатов натурных взрывов на выброс и моделирования в вакуумной камере подтвердили многочисленные промышленные взрывы.

В общем случае процесс выброса определяют следующие параметры: энергия заряда Ео, величина его заглубления h, плотность среды р, коэффициент внутреннего трения кТр, сцепление о, характеризующее связь выбрасываемой среды с массивом, ускорение силы тяжести д, атмосферное давление Ра. Параметр о был исключен из рассмотрения, так как при моделировании в вакуумной камере был использован сухой песок (р 1500 кг/м ). В соответствии с теорией подобия и размерностей из системы определяющих параметров Ео, h, р, kTp, g, Pa при трех основных единицах измерения составлены три без- размертных критерия подобия:

Р (ГФ + Ра)

Таким образом, для обеспечения подобия модельных и натурных взрывов долж- но быть соблюдено постоянство двух безразмерных величин:

Еп

(/)gh + Pa)h

; к

тр

(1)

Проверку подобия результатов механического воздействия и моделирования в вакуумной камере проводили, сравнивая показатели выброса:

n f (Епв); n f (Епм),

(2)

0

5

5

где n - показатель выброса (отношение радиуса видимой воронки к глубине заложения заряда);

Епв. Епм - безразмерный критерий, характеризующий отношение энергии, обеспечивающей выброс, к энергии, препятствующей ему, для вакуумной камеры и механического стенда (первый критерий из(1)).

Постоянство второго критерия из (1) в экспериментах достигалось применением идентичной возмущаемой среды (сухого песка). Сопротивлением воздуха при моделировании на механической установке можно пренебречь, вычислив допустимый размер песчинки по методике Черниговского А.А. В

нашем случае он равен «

0

0

хк 2,53 10 3м.

Таким образом, в экспериментах в качестве модели среды был использован сухой песок плотностью р 1,5 т/м и размером частиц не меньше 2.5 мм.

Проведена серия опытов, в которой безразмерный параметр Епм изменяли путем увеличения толщины слоя песка h над ударным механизмом от 0,02 до 0,05 м и регулирования сжатия пружины в пределах 0,055 -0085м.

В качестве исходной энергии ударного механизма в выражении принимали энергию сжатой пружины

Изобретение относится к области исследований действия взрыва. Результаты исследований могут использоваться в горнодобывающей промышленности при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом. Разработанное устройство, основным элементом которого является электромеханическая система, состоящая из пружин, электрозамков, толкателей и резиновых мембран, позволяет с достаточной точностью имитировать взрыв системы сосредоточенных зарядов сброса с изменением числа зарядов, воспроизводить нужные интервалы замедления между группами зарядов, варьировать расположением зарядов в почве очистной камеры. Используя результаты моделирования с достаточной точностью, можно определить рациональные режимы сброса навала полезного ископаемого с почвы очистной камеры. 1 табл., 4 ил. СП

Ео ; .: kTp

pgh

Pa h

Из предположения, что выбросу противодействует суммарное давление, первый и второй критерии были объединены в один:

F г t-c 2 .

где с - жесткость пружины.

Так как ударный механизм включает две пружины одинаковой жесткости и жесткость пружины при пятнадцати витках равна с 1000 Н/м (пружина 1 класса, разряда 2 №326) (по ГОСТ 13767-68), то

Е0 Ю3х2

Результаты моделирования процесса образования воронки выброса представлены в таблице. Парный линейный регрессионный и корреляционный анализы с помощью стандартной FORTRAN программы KORREL позволили получить уравнение, связывающее показатель выброса с безразмерным энергетическим параметром Еп:

п 0,9+ 0,9 Ig Епм

Коэффициент корреляции равен 0,99, что свидетельствует о высоком уровне взаимосвязи между п и Ig Епм.

Параллельность графиков, иллюстрирующих зависимость показателя выброса п от безразмерного энергетического параметра Еп в опытах на механическом стенде и в вакуумной камере (фиг. 3), свидетельствует о подобии процессов выброса песка. Относительный сдвиг графиков обусловлен более высоким коэффициентом передачи исходной энергии выбоасываемой породе.

Сравнительный анализ зависимостей

п 0,9 + 0,9 Ig Епм и п 0,5 0,9 Ig ЕПв позволил получить поправочный коэффициент ;, связывающий Епм и ЕПв:

Епв 104/9ЕпМ.т.е.7 1СГ/9

Поскольку зависимость п - f(Ene) с достаточной точностью описывает поведение

0

5

0

5

0

5

реальных взрывов на выброс, коэффициент ц позволяет осуществлять переход (с учетом соответствующих масштабных коэффициентов) от результатов, полученных при моделировании на механическом стенде, к результатам натурных взрывов.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет с достаточной точностью имитировать взрыв необходимого числа сосредоточенных зарядов с заданными интервалами замедления и различным их расположением в породах почвы очистной камеры.

Формула изобретения Устройство для моделирования действия взрыва на выброс, включающее поворотную раму с экраном, ударный механизм и основание, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности имитации направленных взрывов системой сосре- доточенных зарядов, инициируемых короткозамедленно, за счет возможности изменять число зарядов и интервалы замедления, ударный механизм выполнен в виде электромеханической системы, состоящей из толкателей, расположенных в отверстиях перфорированного днища рамы под резиновыми мембранами, электрозамков для удержания пружин в сжатом состоянии, последние размещены под толкателями с возможностью контакта с ними в момент передачи энергии, с коэффициентом / 10 , осуществляющим переход от энергетических параметров лабораторного моделирования к параметрам взрывов на выброс.

Епм -

( + Pa)h

, где Ра 9,81 104Н/м2

I О

-J

со о

4 СО

Фиг/

а/г 2

LT

Фиг.З

n--0ja 0fl ЦЈт

З ОЯЦЕм